¿Qué metal reacciona más vigorosamente con el agua?
(A) Ca (B) K (C) Mg (D) Na
La respuesta dada es la B y el razonamiento es que es la más electropositiva ya que es la que está más a la izquierda y abajo según las tendencias periódicas.
Sin embargo, ¿no es $\ce{K}$ el ácido conjugado de una base fuerte -- $\ce{KOH}$ ? Entonces, ¿no es la base conjugada de un ácido fuerte bastante débil? Entonces, ¿por qué $\ce{K}$ ¿reaccionar con fuerza?
Interpreto que "reacciona con mayor vigor" como el metal que reacciona más rápido. Es una cuestión de cinética, no de termodinámica (por ejemplo, la respuesta no se basa en la entalpía de la reacción). La velocidad cinética viene determinada por la altura de la barrera energética que hay que superar, tenemos que determinar y comparar las energías de activación en este proceso para los distintos metales. La energía de activación en este proceso se determina mediante los dos pasos siguientes: $$\ce{M(s) -> M(g)}$$ $$\ce{M(g) -> M^+(g) + e^-}$$ $$\ce{or}$$ $$\ce{M(g) -> M^{+2}(g) + 2 e^-}$$ dependiendo de si estamos analizando un metal del grupo I o del grupo II. El siguiente enlace proporciona un buen análisis y tabulación de las energías necesarias para estos dos pasos con los metales del grupo I
y este enlace hace lo mismo para los metales del Grupo II
Resumiré sus conclusiones
Metal ... Energía de activación (kJ/mol)
K ... +508
Na ... +603
Mg ... +2200
Ca ... +1950
CONCLUSIÓN: El potasio tiene la menor energía de activación y debería reaccionar más rápidamente.
Por favor, lee el post de ron antes de continuar aquí (es demasiado largo para un comentario). Su razonamiento es muy bueno y tiene mucho sentido. La barrera de activación es el componente que define el vigor con el que reaccionan los componentes.
Su reacción presentada puede cubrir la barrera de activación inicial, pero también hay que tener en cuenta las reacciones posteriores.
La reacción global que se producirá en el caso del sodio puede formularse así: \begin{aligned} \ce{2Na(s) + 2H2O(l) &-> 2Na+(aq) + H2(g) ^ + 2{}^{-}OH(aq)}& \Delta H &= -184~\mathrm{kJ/ mol} \end{aligned}
Así que el inicio de la reacción debe considerarse como la energía de atomización del metal, después la energía de ionización, ambas reacciones necesitan energía. La energía se libera en el sistema por la hidratación del ion. En el caso del sodio, esto se reduce a \begin{aligned} \ce{Na(s) &-> Na(g)} & \Delta H &= +109~\mathrm{kJ/ mol}\\ \ce{Na(g) &-> Na+(g) + e-} & \Delta H &= +494~\mathrm{kJ/ mol}\\ \ce{Na+(g) &-> Na+(aq)} & \Delta H &= -406~\mathrm{kJ/ mol}\\[2ex]\hline \ce{Na(s) &->[\ce{H2O}] Na+(aq)} & \Delta H &= +197~\mathrm{kJ/ mol}.\\\hline\hline \end{aligned}
Entonces, ¿por qué se produce esta reacción si no se libera energía? La causa son las reacciones secundarias y terciarias, que vuelven a alimentar las reacciones iniciales. Así que la pregunta clave aquí es, ¿qué pasa con el electrón? \begin{aligned} \ce{2H2O + 2e- &<=> H2 ^ + 2{}^{-}OH}\\ \end{aligned} Aunque no puedo encontrar un valor para esta reacción, sin embargo sospecho fuertemente que es negativa. Más bien nos da una pista sobre lo que hay que tener en cuenta, es decir, la hidratación de los iones de hidróxido. ( source ) \begin{aligned} \ce{{}^{-}OH &-> {}^{-}OH(aq)} & \Delta H &= -460~\mathrm{kJ/mol} \end{aligned} Así que esto libera mucha energía al sistema, ayudando a atomizar e ionizar el sodio.
También hay que considerar una reacción terciaria. Debido al calor producido, el hidrógeno arderá inmediatamente al entrar en contacto con el aire. ( wikipedia ) \begin{aligned} \ce{H2(g) + 1/2 O2(g) &-> H2O(g)} & \Delta H &= -242~\mathrm{kJ/mol}\\ \ce{2H2(g) + O2(g) &-> 2H2O(g)} & \Delta H &= -484~\mathrm{kJ/mol} \end{aligned}
Así que todas estas reacciones superan con éxito la barrera de activación una vez iniciada la reacción. Esto también tiene el efecto de multiplicar la reacción inicial, provocando una reacción en cadena y, por lo tanto, reaccionando aún más furiosamente.
Ver Quemadura de sodio en el agua y en un momento dado se ve cómo se enciende el hidrógeno y lo vigorosa que es esta reacción.
Lo mismo ocurre con todos los demás metales, pero como ha dicho Ron la cinética depende de la barrera de activación.
Las otras respuestas explican las cosas en términos de la barrera de energía de activación, pero no explican por qué la barrera de energía de activación es más baja para K. Intentaré hacerlo aquí.
Cuando un metal reacciona con el agua, deben ocurrir varias cosas (no necesariamente en este orden):
Como dijo @ron, el "vigor" de este proceso depende de la cinética de la reacción, que a su vez están determinadas por la energía de activación de la etapa que limita la velocidad.
En los enlaces que ha proporcionado ( 1 , 2 ), muestran que la energía de activación es menor para K, lo que significa que reaccionaría con mayor vigor. (Nota: no se trata de real energías de activación - los átomos no están realmente atomizados a la fase gaseosa, y los electrones no son removidos bajo el vacío a una distancia infinita, pero todavía nos dan una buena relativa estimación)
Sin embargo, saber que la cinética de la reacción depende de la energía de activación no te ayudará si no tienes a mano una tabla de energías de activación. En un examen, seguro que no, y es bueno desarrollar una intuición para este tipo de cosas. Y así, podrías preguntar:
Observando los enlaces, se puede ver que las energías de activación están dominadas por la energía de ionización. En otras palabras, cuando se necesita más energía para eliminar electrones, la reacción se ralentiza.
¿Por qué el K debe tener la menor energía de ionización? En primer lugar, tenemos que ver la ecuación que rige la energía potencial entre cargas:
$E=\frac{{\kappa}Q_1Q_2}{d}$
Aquí E es la energía potencial electrostática, $\kappa$ es Constante de Coulomb y $Q_1$ y $Q_2$ son cargos.
De esto se deduce que si las cargas tienen el signo opuesto, la energía será más negativa a medida que se acerquen (inversamente proporcional a la distancia). A medida que cualquiera de las cargas aumenta, la energía también será más negativa (directamente proporcional a la carga). En otras palabras, las cargas grandes son más difíciles de separar, y las cargas que están cerca son más difíciles de separar que las cargas que están lejos. Como analogía aproximada, imagine que separa dos imanes: es más difícil cuando están juntos.
Ahora compara el K con el otro elemento del grupo I (Na). El K está más abajo en la columna. Como el radio atómico aumenta con el número de fila (debido a que el radio orbital aumenta con el número cuántico de principio n ), el electrón de valencia del K está más lejos del núcleo (en promedio) que el del Na. Esto significa que es más fácil eliminar un electrón de valencia del K. Como analogía, imagine que intenta mover una roca por una colina. Tiene que hacer menos trabajo (poner menos energía) si la roca ya está a medio camino de la colina. Como los electrones están más lejos del núcleo en el K, ya están "más arriba de la colina".
¿Y los elementos del grupo II? A medida que se avanza de izquierda a derecha, el radio atómico disminuye - esto se debe a que el carga nuclear efectiva visto por los electrones de valencia aumenta. La combinación del aumento de la carga y la disminución de la distancia conduce a una "colina" más empinada que debe ser superada. Además, ahora tenemos que eliminar dos electrones para que la reacción funcione, lo cual es aproximadamente el doble de difícil (técnicamente no tienen para eliminar ambos, pero la termodinámica general de la reacción no funcionará si no lo hacemos). Como resultado, los elementos del grupo I siempre reaccionan más vigorosamente con el agua que el grupo II.
Creo que ayuda imaginar las reacciones como una especie de "lucha" entre elementos por los electrones. El número de protones del núcleo y la configuración orbital de los electrones determinan quién ganará la pelea y cómo se desarrollará. Este enfoque es útil porque se aplica también a la química más avanzada.
Para ver algunas demostraciones de las reacciones de los metales alcalinos con el agua, consulte este vídeo:
Puede que me equivoque, pero creo que la pregunta se refiere a los metales en su forma atómica (no iónica).
Para que un $\ce{KOH}$ para formar el enlace, el K debe ser ionizado (ya que el $\ce{KOH}$ enlace es iónico). Esto significa que cuando $\ce{KOH}$ se disuelve en agua formará el $\ce{K}^+$ electrolito, que no es lo mismo que un $\ce{K}$ átomo con su 19º electrón.
A $\ce{K}$ entonces, al ser el más electropositivo de esa lista, es el que reacciona "más vigorosamente" (que supongo que se refiere a más velocidad/energía) con el agua (una molécula polar).
Espero que esto te haya ayudado. ¡Lo siento si me equivoco!
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